钢的化学热处置省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

1钢化学热处理第第1页页211.1 11.1 化学热处理概述化学热处理概述 机机械械零零件件失失效效和和破破坏坏，大大多多数数都都萌萌发发在在工工件件表表面面层层，尤尤其其在在可可能能引引发发磨磨损损、疲疲劳劳、金金属属腐腐蚀蚀、氧氧化化等等条条件件下下工工作作零零件件，其其表表面面层层性性能能就就显显得得尤尤为为主要。主要。化学热处理概念化学热处理概念钢钢化化学学热热处处理理：是是将将钢钢件件置置于于特特定定活活性性介介质质中中加加热热保保温温，使使一一个个或或几几个个元元素素渗渗透透钢钢件件表表层层，从从而而改改变变钢钢件件表表层层化化学学成成份份和和组组织织，到到达达改改进进表表面面性性能，满足技术要求热处理过程。能，满足技术要求热处理过程。第第2页页3经经化化学学热热处处理理后后钢钢件件，实实质质上上能能够够认认为为是是一一个个特特殊复合材料。殊复合材料。经化学热处理后钢件经化学热处理后钢件渗透了合金渗透了合金元素材料元素材料原始原始成份成份钢钢紧密紧密晶体型结合晶体型结合远远远远强强于于电电镀镀等等表表面面涂涂覆覆技技术术所所取取得得心心、表表部部之之间结合间结合第第3页页4 化学热处理目标化学热处理目标在表面形成高硬层在表面形成高硬层在钢件表面形成减磨、抗粘结薄膜在钢件表面形成减磨、抗粘结薄膜在钢件表面同时形成高硬层与抗粘或减磨薄膜在钢件表面同时形成高硬层与抗粘或减磨薄膜提升零件耐磨性提升零件耐磨性提升零件疲劳强度提升零件疲劳强度提升零件抗蚀性提升零件抗蚀性提升零件抗高温氧化性提升零件抗高温氧化性 提升零件耐磨性提升零件耐磨性目有四目有四第第4页页5在表面形成在表面形成高硬层高硬层在表面形成减磨、在表面形成减磨、抗粘结薄膜抗粘结薄膜在表面同时形在表面同时形成高硬层与抗成高硬层与抗粘或减磨薄膜粘或减磨薄膜钢钢件件渗渗碳碳淬淬火火可可取取得得高高碳碳M硬硬化化表表层层；合合金金钢钢件件渗渗氮氮可可取取得得合合金金氮氮化化物物弥弥散散硬化表层。硬化表层。蒸蒸汽汽表表面面处处理理产产生生Fe3O4薄薄膜膜有有抗抗粘粘结结作作用用，表表面面硫硫化化取取得得FeS薄薄膜膜可可兼兼有有减减磨磨与抗粘结作用。与抗粘结作用。近近年年来来发发展展起起来来多多元元共共渗渗工工艺艺，如如氧氧氮氮共共渗渗，硫硫氮氮共共渗渗，碳碳氮氮硫硫氧氧硼硼五五元元共共渗等。渗等。第第5页页6化学热处理方法化学热处理方法表面硬化优势表面硬化优势提升表面硬度提升表面硬度时，仍能保持时，仍能保持心部处于很好心部处于很好韧性状态韧性状态化学热处理同化学热处理同时改变钢件表时改变钢件表层化学成份与层化学成份与组织组织假如渗透元假如渗透元素选择适当素选择适当能更加好地处能更加好地处理钢件硬化与理钢件硬化与其韧性矛盾其韧性矛盾比表面淬火比表面淬火硬化方法效硬化方法效果更加好果更加好可取得适应零可取得适应零件各种性能要件各种性能要求表面层求表面层第第6页页7渗渗碳碳、渗渗氮氮、软软氮氮化化和和碳碳氮氮共共渗渗等等方方法法，都都可可使使钢钢零零件件在在表表面面强强化化同同时时，在在零零件件表表面面形形成成残残余余压压应力，有效地提升零件疲劳强度。应力，有效地提升零件疲劳强度。提升零件疲劳强度提升零件疲劳强度钢钢件件渗渗铝铝、渗渗铬铬、渗渗硅硅后后，与与氧氧或或腐腐蚀蚀介介质质作作用用形形成成致致密密、稳稳定定AlAl2 2O O3 3、CrCr2 2O O3 3、SiOSiO2 2保保护护膜膜，提提升升抗蚀性及高温抗氧化性。抗蚀性及高温抗氧化性。提升零件抗蚀性提升零件抗蚀性提升零件抗高温氧化性提升零件抗高温氧化性比如渗氮可提升零件抗大气腐蚀性能比如渗氮可提升零件抗大气腐蚀性能第第7页页84）能取得含有特殊性能表面层）能取得含有特殊性能表面层 3）经济效果好）经济效果好2）含有很好工艺性）含有很好工艺性1）不受工件几何形状限制）不受工件几何形状限制钢化学热处理含有以下特点钢化学热处理含有以下特点第第8页页9不受工件几何不受工件几何形状限制形状限制即任何几何形状复杂工件即任何几何形状复杂工件经过化学经过化学 热处理后，均可热处理后，均可取得沿其轮廓分布均一表取得沿其轮廓分布均一表面化学热处理层面化学热处理层 含有很好工艺性含有很好工艺性如开裂倾向较小；处理温如开裂倾向较小；处理温度范围较宽；对冷度范围较宽；对冷 却介却介质敏感性较小等等质敏感性较小等等第第9页页10经济效果好经济效果好能取得含有特殊性能表面层能取得含有特殊性能表面层廉价钢材经化学热处理后可取廉价钢材经化学热处理后可取得表面性能高工得表面性能高工件。经化学件。经化学热处理碳钢件表层性能不亚于热处理碳钢件表层性能不亚于同类合金钢性能。同类合金钢性能。如耐腐蚀性、耐磨性等如耐腐蚀性、耐磨性等第第10页页11 化学热处理分类化学热处理分类当当前前工工业业上上广广泛泛使使用用化化学学热热处处理理方方法法，就就是是在在钢钢件件表面渗透一个或各种元素，即渗透法。表面渗透一个或各种元素，即渗透法。依依据据所所渗渗透透元元素素，能能够够将将化化学学热热处处理理分分为为渗渗碳碳、渗渗氮、渗硫、渗硼、渗铝、渗钒、渗铬等。氮、渗硫、渗硼、渗铝、渗钒、渗铬等。假假如如同同时时渗渗透透两两种种以以上上元元素素，则则称称之之为为共共渗渗，如如碳碳氮共渗、铬硅铝共渗等。氮共渗、铬硅铝共渗等。钢钢中中渗渗透透元元素素，可可能能溶溶入入铁铁中中形形成成固固溶溶体体，也也可可能能与与铁铁形形成成某某种种化化合合物物，总总之之渗渗透透元元素素与与基基体体金金属属之之间含有相互作用。间含有相互作用。第第11页页12第第12页页13当当前前生生产产中中最最惯惯用用化化学学热热处处理理是是渗渗碳碳、渗渗氮氮、碳碳氮氮共渗、渗硼和渗铝等。共渗、渗硼和渗铝等。化学热处理基本过程化学热处理基本过程渗透法化学热处理渗透法化学热处理基本过程基本过程分解分解吸收吸收扩散扩散钢件周围介质钢件周围介质分解，以形成分解，以形成渗透元素活性渗透元素活性原子原子活性原子被钢件吸活性原子被钢件吸收，其先决条件是收，其先决条件是活性原子能够溶解活性原子能够溶解于钢件表层金属中于钢件表层金属中渗透原子在基体金属渗透原子在基体金属中扩散，是化学热处中扩散，是化学热处理得以进行和取得一理得以进行和取得一定深度渗层确保定深度渗层确保第第13页页1411.2 11.2 钢渗碳钢渗碳 渗渗碳碳：就就是是将将钢钢件件置置于于含含有有足足够够碳碳势势介介质质中中加加热热到到奥奥氏氏体体状状态态并并保保温温，使使其其表表层层形形成成一一个个富富碳碳层层热热处处理工艺。理工艺。渗碳渗碳种类种类最惯用最惯用惯用惯用气体渗碳气体渗碳固体渗碳固体渗碳液体渗碳液体渗碳碳势可控碳势可控生产效率高生产效率高劳动条件好劳动条件好便于直接淬火等便于直接淬火等第第14页页15渗渗碳碳用用钢钢：为为低低碳碳钢钢及及低低碳碳合合金金钢钢，如如20、20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo、18Cr2Ni4W等。等。渗碳目标渗碳目标提升零件表层含碳量提升零件表层含碳量提升表层硬度，增强提升表层硬度，增强零件抗磨损能力零件抗磨损能力同时保持心部良同时保持心部良好韧性好韧性主要用于那些对表面有较高耐磨性要主要用于那些对表面有较高耐磨性要求、并承受较大冲击载荷零件求、并承受较大冲击载荷零件第第15页页16气气氛氛主主要要组组成成物物都都是是CO、CO2、CH4、H2和和H2O等等5种气体；种气体；其中其中CO和和CH4起渗碳作用，其余起脱碳作用。起渗碳作用，其余起脱碳作用。渗碳原理渗碳原理渗碳介质分解渗碳介质分解工业气体渗碳方法主要类型工业气体渗碳方法主要类型在炉中产生所需要渗碳气氛在炉中产生所需要渗碳气氛可控气氛可控气氛碳氢化合物气体碳氢化合物气体含碳有机液体含碳有机液体第第16页页17在渗碳炉中，与渗碳相关最主要反应有以下四个在渗碳炉中，与渗碳相关最主要反应有以下四个在在所所供供给给原原料料气气氛氛组组成成稳稳定定情情况况下下，只只要要控控制制气气氛氛中中微微量量CO2、H2O、CH4或或O2中中任任何何一一个个含含量量，就就可可到到达达控控制制渗渗碳碳炉炉中中碳碳势势目标目标.第第17页页18通通常常，生生产产中中多多采采取取露露点点仪仪来来控控制制气气氛氛中中H2O含含量；量；因因为为气气氛氛露露点点与与气气氛氛中中含含水水量量含含有有很很好好对对应应关关系系，即即含含水水量量越越高高、露点就越高；露点就越高；第第18页页19生生产产中中或或者者采采取取红红外外线线仪仪来来控控制制CO2含量；含量；第第19页页20或者采取氧探头来控制气氛中或者采取氧探头来控制气氛中O2含量。含量。不不论论采采取取上上述述哪哪种种方方法法，都都能能够够到到达达控控制制渗渗碳碳炉炉中中渗碳气氛碳势目标。渗碳气氛碳势目标。在在实实际际生生产产中中，渗渗碳碳时时间间往往往往比比较较短短，必必须须依依据据气气氛氛种种类类、表表面面碳碳含含量量要要求求、渗渗碳碳温温度度和和渗渗碳碳时时间间等等原原因因确确定定出出一一个个在在不不平平衡衡情情况况下下适适当当碳碳势势，才才能能真真正确保渗碳工件所需表面含碳量；正确保渗碳工件所需表面含碳量；同时还需采取多参数控制法来降低碳势控制误差。同时还需采取多参数控制法来降低碳势控制误差。第第20页页21工件表面必须清洁；工件表面必须清洁；炉炉气气需需要要含含有有良良好好循循环环：活活性性碳碳原原子子被被吸吸收收后后，剩剩下下CO2、H2或或H2O等等脱脱碳碳气气氛氛需需要要被被及时排出；及时排出；控控制制好好分分解解和和吸吸收收两两个个阶阶段段速速度度，使使之之恰恰当当配配合合：假假如如分分解解速速度度大大于于吸吸收收速速度度，将将在在工工件表面形成积碳，从而影响吸收速度。件表面形成积碳，从而影响吸收速度。碳原子吸收碳原子吸收要要使使反反应应生生成成活活性性碳碳原原子子被被钢钢件件表表面面吸吸收收，必必须须满足以下条件：满足以下条件：第第21页页22碳碳原原子子由由表表面面向向心心部部扩扩散散，是是渗渗碳碳得得以以进进行行并并取取得得一定深度渗层条件。一定深度渗层条件。扩散驱动力是工件表面与心部碳浓度梯度。扩散驱动力是工件表面与心部碳浓度梯度。碳碳在在铁铁中中形形成成是是间间隙隙式式固固溶溶体体，其其扩扩散散系系数数比比形形成成置置换换式式固固溶溶体体合合金金元元素素要要大大很很多多。碳碳在在-Fe中中扩扩散散系数为系数为:可见，温度和碳浓度都影响碳扩散系数。可见，温度和碳浓度都影响碳扩散系数。碳原子扩散碳原子扩散第第22页页23间间隙隙原原子子扩扩散散服服从从Fick第第二二定定律律，由由该该定定律律能能够够有有下面一个关系式：下面一个关系式：所所以以，此此式式也也就就成成为为依依据据渗渗碳碳温温度度和和渗渗层层深深度度来来确确定渗碳时间依据。定渗碳时间依据。式中，式中，d渗碳层深度渗碳层深度渗渗层层深深度度因因子子，与与渗渗碳碳温温度度含含有有一定关系一定关系t扩散进行时间扩散进行时间第第23页页24主主要要是是经经过过对对碳碳扩扩散散系系数数和和渗渗层层表表面面碳碳浓浓度度影影响响来来实实现现。通通常常地地，Mn、Cr、Mo能能略略微微增增加加渗渗层层深深度度，而而W、Ni、Si等则减小渗层深度。等则减小渗层深度。钢中合金元素对渗碳过程影响钢中合金元素对渗碳过程影响凡凡是是碳碳化化物物形形成成元元素素如如Ti、Cr、Mo、W及及含含量量大大于于1V、Nb等，都增加渗层表面碳浓度；等，都增加渗层表面碳浓度；凡凡是是非非碳碳化化物物形形成成元元素素如如Si、Ni、Al等等，都都降降低低渗渗层表面碳浓度。层表面碳浓度。对表面碳浓度影响对表面碳浓度影响对渗层深度影响对渗层深度影响第第24页页25 渗碳工艺参数渗碳工艺参数渗碳前渗碳前渗碳中渗碳中渗碳后渗碳后除去表面油污、锈斑或其它脏物；除去表面油污、锈斑或其它脏物；对不需要渗碳局部加以防护；对不需要渗碳局部加以防护；零件在料盘内必须均匀放置。零件在料盘内必须均匀放置。控控制制气气氛氛碳碳势势、温温度度和和时时间间，以以确确保保技技术术条条件件要要求求表表面面碳碳含含量量、渗渗层层深度和较平缓碳浓度梯度。深度和较平缓碳浓度梯度。依依据据炉炉型型选选取取适适当当热热处处理理方方式式进进行行热处理，以取得预期性能。热处理，以取得预期性能。第第25页页26渗碳工艺参数渗碳工艺参数气氛碳势气氛碳势渗碳温度渗碳温度渗碳时间渗碳时间第第26页页27从从统统计计资资料料看看，普普通通渗渗碳碳件件表表面面碳碳含含量量可可在在0.61.1之间改变。之间改变。气氛碳势选择与控制气氛碳势选择与控制确定最正确表面含碳量依据确定最正确表面含碳量依据首先是取得最高首先是取得最高表面硬度表面硬度其次是渗碳层含其次是渗碳层含有最高耐磨性和有最高耐磨性和抗磨损疲劳性能抗磨损疲劳性能与钢成份亲与钢成份亲密相关密相关渗碳层中含有适量渗碳层中含有适量碳化物存在碳化物存在第第27页页28渗渗碳碳零零件件表表面面碳碳含含量量低低，淬淬火火后后低低温温回回火火所所得得到到硬硬度低，耐磨性差；度低，耐磨性差；零零件件表表面面含含碳碳量量过过高高，渗渗碳碳层层出出现现大大量量块块状状或或网网状状碳碳化化物物，使使脆脆性性增增加加，易易在承受冲击负荷时剥落在承受冲击负荷时剥落;所所以以，表表面面层层含含碳碳量量最最好好在在0.851.05范围内。范围内。第第28页页29渗渗碳碳温温度度是是渗渗碳碳工工艺艺中中最最主主要要一一个个原原因因，它它影影响响着着分分解解反反应应平平衡衡、碳碳扩扩散散、还还影影响响着着钢钢中中组组织织转转变。变。因因为为奥奥氏氏体体溶溶碳碳能能力力较较大大，所所以以渗渗碳碳温温度度必必须须高高于于Ac3温度。温度。渗碳温度渗碳温度渗渗碳碳温温度度惯惯用用920940，温温度度愈愈高高，渗渗速速愈愈快快，渗层愈深。渗层愈深。但但温温度度过过高高会会引引发发奥奥氏氏体体晶晶粒粒长长大大，降降低低零零件件力力学性能，增加零件畸变，降低设备使用寿命。学性能，增加零件畸变，降低设备使用寿命。第第29页页30如如0.30.6mm，可选为，可选为88010；0.60.8mm，可选取，可选取90010；0.81.2mm或以上，选取或以上，选取92010。通常渗碳温度选择视要求渗层深度确定：通常渗碳温度选择视要求渗层深度确定：有有要要求求深深层层渗渗碳碳或或缩缩短短渗渗碳碳周周期期，可可采采取取10301050；但但必必需需采采取取细细晶晶粒粒钢钢、高高温温渗渗碳碳钢钢、或或渗渗碳碳后后再再经循环热处理细化晶粒。经循环热处理细化晶粒。第第30页页31式中，式中，t时间时间(h)T温度温度(K)对几个惯用渗碳温度层深计算公式可简化为：对几个惯用渗碳温度层深计算公式可简化为：普通地，因为扩散迟缓，渗碳时间不需准确控制。普通地，因为扩散迟缓，渗碳时间不需准确控制。渗渗层层深深度度和和渗渗碳碳温温度度确确定定后后，所所需需渗渗碳碳时时间间可可依依据据Harris公式进行近似计算。公式进行近似计算。渗碳时间渗碳时间第第31页页32第第32页页33工艺参数综合选择工艺参数综合选择因因为为各各参参数数间间相相互互影影响响较较大大，同同时时为为了了缩缩短短渗渗碳碳总时间，通常对各参数进行综合调整：总时间，通常对各参数进行综合调整：升温阶段升温阶段高速渗碳阶段高速渗碳阶段扩散阶段扩散阶段预冷阶段预冷阶段采取低碳势采取低碳势在在正正常常温温度度或或更更高高温温度度下下采采取取高高于于所需表面碳含量碳势，时间较长所需表面碳含量碳势，时间较长在在正正常常渗渗碳碳温温度度下下采采取取与与所所需需表表面面碳含量相等碳势，时间较短碳含量相等碳势，时间较短使使温温度度降降到到淬淬火火温温度度，便便于于直直接接淬淬火处理。火处理。第第33页页34 固体渗碳和液体渗碳介绍固体渗碳和液体渗碳介绍固固体体渗渗碳碳是是将将工工件件和和固固体体渗渗碳碳剂剂装装入入渗渗碳碳箱箱中中，用用盖盖子子和和耐耐火火泥泥封封好好，然然后后放放在在炉炉中中加加热热至至900900950 950，保保温温足足够够长长时时间间，得得到一定厚度渗碳层。到一定厚度渗碳层。固体渗碳固体渗碳固固体体渗渗碳碳剂剂通通常常是是一一定定粒粒度度木木炭炭与与10%10%左左右右碳碳酸酸盐盐（BaCOBaCO3 3或或NaNa2 2COCO3 3）混混合合物物。木木炭炭提提供供渗渗碳碳所所需需要要活活性碳原子，碳酸盐起催化作用。性碳原子，碳酸盐起催化作用。第第34页页35而而加加入入催催渗渗剂剂在在高高温温下下会会发发生生分分解解，放放出出CO2与与木木炭炭发发生生反反应应生生成成大大量量CO，CO在在钢钢件件表表面面分分解解，从从而提供活性碳原子。而提供活性碳原子。因因渗渗碳碳箱箱中中氧氧气气是是有有限限，所所以以经经过过2C+O2C+O2 22CO2CO来来取取得得CO量是有限。量是有限。第第35页页36固体渗碳优缺点固体渗碳优缺点适合用于各种零件，尤其是小批量生产适合用于各种零件，尤其是小批量生产可使用各种普通加热炉，设备费用低可使用各种普通加热炉，设备费用低渗后慢冷，工件硬度低，利于切削加工渗后慢冷，工件硬度低，利于切削加工不适于浅渗碳层零件生产；不适于浅渗碳层零件生产；表面碳含量极难准确控制；表面碳含量极难准确控制；渗碳后不能直接淬火；渗碳后不能直接淬火；渗碳时间长，劳动条件差。渗碳时间长，劳动条件差。优点优点缺点缺点第第36页页37 液体渗碳液体渗碳液体渗碳就是在液体介质中进行渗碳。液体渗碳就是在液体介质中进行渗碳。有氰化物盐浴有氰化物盐浴无氰化物盐浴无氰化物盐浴在无氰化物盐浴中，渗碳反应以下：在无氰化物盐浴中，渗碳反应以下：加加热热介介质质为为NaCl和和KCl，催催渗渗剂剂为为Na2CO3，供碳介质为尿素和木炭粉，供碳介质为尿素和木炭粉第第37页页38由液体渗碳以上反应能够看出：由液体渗碳以上反应能够看出：渗碳反应依然是钢件表面气相反应；渗碳反应依然是钢件表面气相反应；原原材材料料即即使使无无毒毒，但但反反应应结结果果依依然然使使盐盐浴浴中中含含有有约约0.5NaCN；盐浴还含有一定渗氮功效。盐浴还含有一定渗氮功效。加热速度快加热速度快生产效率高生产效率高加热均匀加热均匀便于直接淬火便于直接淬火易腐蚀工件易腐蚀工件碳碳势势调调整整幅幅度度小小且且不易控制不易控制劳动条件差等等劳动条件差等等优优点点缺缺点点第第38页页39渗渗碳碳层层组组织织过共析组织过共析组织(P+Fe(P+Fe3 3C C)共析组织共析组织(P)(P)过渡区亚共析组织过渡区亚共析组织(P+F)(P+F)原始亚共析组织原始亚共析组织(F+P)(F+P)上上述述组组织织显显然然不不能能满满足足要要求求。渗渗碳碳后后必必须须进进行行热热处处理理，即即进进行淬火和回火，对一些钢种还包含冷处理。行淬火和回火，对一些钢种还包含冷处理。渗碳后热处理渗碳后热处理第第39页页40工件渗碳后热处理目标工件渗碳后热处理目标提升渗层表面提升渗层表面强度、硬度和强度、硬度和耐磨性耐磨性消除网状消除网状渗碳体和渗碳体和降低残降低残A提升心部提升心部强度和韧强度和韧性性细化细化晶粒晶粒 渗碳后淬火渗碳后淬火第第40页页41标准上：过共析层淬火温度应低于标准上：过共析层淬火温度应低于Accm亚共析层淬火温度应高于亚共析层淬火温度应高于Ac3渗碳零件淬火温度选择渗碳零件淬火温度选择假假如如Accm Ac3，就就很很轻轻易易选选择择一一个个淬淬火火温温度度来来同同时时满足这二者要求；满足这二者要求；假假如如Accm Ac3，则则极极难难二二者者同同时时兼兼顾顾，在在这这种种情情况况下下，要要依依据据对对零零件件主主要要技技术术要要求求、钢钢件件心心部部能能否否淬淬透透、渗渗碳碳后后零零件件表表面面碳碳含含量量和和所所采采取取淬淬火火方方法法等，综合考虑而加以确定。等，综合考虑而加以确定。要兼顾高碳渗层和低碳心部两方面要求。要兼顾高碳渗层和低碳心部两方面要求。第第41页页42 直接淬火法直接淬火法直直接接淬淬火火：是是指指工工件件渗渗碳碳后后，随随炉炉降降温温或或出出炉炉预预冷到冷到760860后，直接淬火热处理工艺。后，直接淬火热处理工艺。随炉降温或出炉预冷目标随炉降温或出炉预冷目标预冷温度要依据零件要求和钢预冷温度要依据零件要求和钢Ar1而定。而定。降低淬火降低淬火内应力与内应力与变形变形使高碳使高碳A析出一部分析出一部分K，降低，降低A中碳浓度，从而降低淬火后残中碳浓度，从而降低淬火后残A量，取得较高表面硬度量，取得较高表面硬度第第42页页43降降低低加加热热和和冷冷却却次次数数，提提升升生生产产效效率率，降降低低能能耗耗及及生生产产成成本本，还还可可降降低低零零件件变变形形及及表表面面氧氧化化和和脱脱碳。碳。直接淬火优点：直接淬火优点：适适合合用用于于本本质质细细晶晶粒粒钢钢制制作作零零件件，不不适适合合用用于于本本质粗晶粒钢制作零件。质粗晶粒钢制作零件。另另外外，假假如如渗渗碳碳后后表表面面碳碳浓浓度度很很高高，则则一一样样不不宜宜于于采采取取直直接接淬淬火火，因因为为预预冷冷时时碳碳化化物物普普通通沿沿奥奥氏氏体晶界呈网状析出，使脆性增大。体晶界呈网状析出，使脆性增大。直接淬火适用范围：直接淬火适用范围：第第43页页44 重新加热淬火重新加热淬火工工件件在在渗渗碳碳后后冷冷却却到到A完完全全转转变变，可可能能转转变变成成P或或M等等组组织织。接接着着重重新新将将它它加加热热到到所所希希望望淬淬火火温温度度，然然后淬火，这种方法能够得到晶粒较细组织。后淬火，这种方法能够得到晶粒较细组织。第第44页页45另另外外，也也能能够够在在二二次次加加热热淬淬火火中中间间安安排排一一次次回回火火，在最终淬火加热之前能够进行一些切削加工；在最终淬火加热之前能够进行一些切削加工；为为了了防防止止重重复复加加热热引引发发太太大大变变形形，对对于于形形状状易易于于变变形工件，可要求进行一次或几次预热。形工件，可要求进行一次或几次预热。第第45页页46二二次次加加热热淬淬火火对对于于高高温温（9801050）渗渗碳碳工工件件是必不可少。是必不可少。因因为为高高温温渗渗碳碳后后奥奥氏氏体体晶晶粒粒粗粗大大，故故第第一一次次淬淬火火温温度度通通常常高高于于心心部部Ac3，而而第第二二次次淬淬火火温温度度在在渗渗层层Ac1Accm之间。之间。经经过过二二次次淬淬火火后后，奥奥氏氏体体晶晶粒粒能能够够得得到到充充分分细细化化，表表层层碳碳化化物物可可变变成成粒粒状状，残残余余奥奥氏氏体体量量降降低低，疲疲劳强度显著提升。劳强度显著提升。但但二二次次加加热热淬淬火火成成本本高高、周周期期长长、易易脱脱碳碳变变形形，故极少采取。故极少采取。第第46页页47渗渗碳碳零零件件在在淬淬火火后后，紧紧接接着着于于150250之之间间进进行回火处理。行回火处理。对于非合金钢，回火温度普通为对于非合金钢，回火温度普通为150l80；对于合金钢，回火温度普通为对于合金钢，回火温度普通为160200。经经过过这这种种回回火火处处理理，可可降降低低组组织织应应力力，而而且且在在最最外外层层保保持持有有利利压压应应力力；另另外外，回回火火改改进进了了渗渗碳碳淬淬火零件可磨削性，降低了磨削裂纹敏感性。火零件可磨削性，降低了磨削裂纹敏感性。在在150250之之间间回回火火，硬硬度度最最多多降降低低5HRC，大大多降低多降低13HRC。回火回火第第47页页48 冷处理冷处理目目标标在在于于降降低低或或消消除除残残A，从从而而适适当当提提升升渗碳层硬度。渗碳层硬度。冷冷处处理理既既提提升升了了生生产产成成本本，又又增增加加了了生生产产工工序序，当当前前除除特特殊殊渗渗碳碳工工件件外外，普普通通都都极极少少采采取取这这道道冷冷处处理理工工序。序。第第48页页49 渗碳层深度测量渗碳层深度测量当当前前渗渗层层深深度度测测量量方方法法有有：化化学学分分析析法法、硬硬度度测测量量法法和和金金相相法法等等，其其中中硬硬度度法法是是当当前前应应用用最最广广泛泛一个标准方法。一个标准方法。渗碳层深度是渗碳零件主要技术要求之一。渗碳层深度是渗碳零件主要技术要求之一。渗层深度两种定义渗层深度两种定义全渗层深度全渗层深度有效渗层深度有效渗层深度渗层表面到渗层渗层表面到渗层刚抵达心部时垂刚抵达心部时垂直距离直距离零件经渗碳淬火后由表零件经渗碳淬火后由表面至硬度为面至硬度为HV550或或HRC50最远点距离最远点距离第第49页页50第第50页页51 渗碳热处理常见缺点渗碳热处理常见缺点常见常见缺点缺点表面硬度表面硬度偏低偏低渗层深度渗层深度不够或不均匀不够或不均匀零件变形零件变形超差超差心部硬度心部硬度过高过高金相组织金相组织不合格不合格渗碳层出渗碳层出现内氧化现内氧化第第51页页52渗碳层出现内氧化渗碳层出现内氧化第第52页页53 渗碳后钢机械性能渗碳后钢机械性能 硬度和耐磨性硬度和耐磨性钢件表面硬度和耐磨性可显著提升。钢件表面硬度和耐磨性可显著提升。冲击韧性和断裂韧性冲击韧性和断裂韧性钢钢件件冲冲击击韧韧性性和和断断裂裂韧韧性性都都降降低低，而而且且表表面面碳碳含含量越高、渗层越深，这两种性能降低越厉害。量越高、渗层越深，这两种性能降低越厉害。第第53页页54疲劳强度疲劳强度表表面面碳碳含含量量越越高高，Ms点点越越低低，表表面面M量量小小于于表表层层内内部部M量量，在在表表面面层层得得到到残残余余压压应应力力越越大大，它它能能够够抵抵消消相相当当部部分分由由外外加加负负载载引引发发拉拉应应力力，从而提升疲劳强度；从而提升疲劳强度；一一定定层层深深高高硬硬度度渗渗碳碳层层，能能够够提提升升抵抵抗抗微微裂裂纹纹形形成成和和扩扩展展，从从而而提提升升疲疲劳劳强度。强度。钢件经渗碳后，其疲劳强度显著提升：钢件经渗碳后，其疲劳强度显著提升：第第54页页5511.3 11.3 钢渗氮钢渗氮 渗渗氮氮工工艺艺又又叫叫氮氮化化。它它是是将将氮氮渗渗透透钢钢件件表表面面，以以提提升升其其硬硬度度、耐耐磨磨性性、疲疲劳劳强强度度和和抗抗蚀蚀性性一一个个化化学处理方法。学处理方法。氮化特点和分类氮化特点和分类 渗氮特点渗氮特点渗渗氮氮件件表表面面硬硬度度可可高高达达HRC70HRC70左左右右，并并可可保保持持到到500500左左右右而而不不降降低低，而而渗渗碳碳层层淬淬火火后后其其硬硬度度在在HRC60HRC606262左左右右并并在在200以以上上就就急急剧剧下下降降。因因为为渗渗氮氮层层硬硬度度高高，其其耐耐磨磨性性也较高。也较高。高硬度和耐磨性高硬度和耐磨性第第55页页56因因为为渗渗氮氮后后表表面面形形成成氮氮化化物物薄薄膜膜，化化学学稳稳定定性性高高而而且且致致密。密。高疲劳强度高疲劳强度氮氮化化层层内内残残余余压压应应力力比比渗渗碳碳层层大大，故故氮氮化化后后可可取取得得较较高高疲劳强度。疲劳强度。渗氮件变形很小且规律性强渗氮件变形很小且规律性强因为氮化后钢件不需其它任何热处理。因为氮化后钢件不需其它任何热处理。良好抗咬卡性能良好抗咬卡性能因为氮化层高硬度和高温硬度。因为氮化层高硬度和高温硬度。良好耐腐蚀性能良好耐腐蚀性能第第56页页57比比如如：38CrMoAl38CrMoAl钢钢制制压压缩缩机机活活塞塞杆杆为为取取得得0.40.40.6mm0.6mm渗氮层深度，气体渗氮保温时间需渗氮层深度，气体渗氮保温时间需60h60h左右。左右。处理时间长处理时间长生产成本高生产成本高氮化层较薄（氮化层较薄（0.30.6mm）氮化层脆性较大氮化层脆性较大氮化主要缺点氮化主要缺点第第57页页58 渗氮分类渗氮分类氮化氮化普通氮化普通氮化离子氮化离子氮化固体氮化固体氮化液体氮化液体氮化气体氮化气体氮化 Fe-N Fe-N相图和纯铁相图和纯铁氮化层组织氮化层组织两个共析反应：两个共析反应：第第58页页59相图中各个相：相图中各个相：N在在-Fe固溶体固溶体：N在在-Fe固溶体固溶体：N在在Fe4N固溶体固溶体：N N含量很含量很宽宽化合物化合物：N在在Fe2N固溶体固溶体第第59页页60第第60页页61 气体氮化原理气体氮化原理无水氨气；无水氨气；或氨气氢气；或氨气氢气；或氨气氮气；或氨气氮气；氨气分解氨气分解氮原子吸收氮原子吸收氮原子扩散氮原子扩散整个氮化过程分为三个阶段整个氮化过程分为三个阶段气体氮化时普通使用气体氮化时普通使用第第61页页62 氨气分解氨气分解纯铁氮化时表面形成相与纯铁氮化时表面形成相与(NH3+H2)混合气平衡条件混合气平衡条件第第62页页63 氮原子吸收氮原子吸收活活性性氮氮原原子子只只有有一一部部分分能能马马上上被被钢钢件件表表面面吸吸收收，而而多数活性氮原子则很快相互结合成氮分子而逸出。多数活性氮原子则很快相互结合成氮分子而逸出。第第63页页64 氮原子扩散氮原子扩散在在气气体体氮氮化化时时，因因为为气气氛氛中中氮氮势势很很轻轻易易超超出出生生成成化化合合物物所所需需要要氮氮量量，所所以以在在钢钢件件表表面面极极易易生生成成一一层层化化合合物物，此此时时氮氮原原子子将将溶溶于于化化合合物物层层中中并并不停向内扩散。不停向内扩散。第第64页页65氮在铁中扩散系数可用下式表示氮在铁中扩散系数可用下式表示因因为为N原原子子半半径径比比C原原子子小小，因因而而N原原子子扩扩散散系数比系数比C大。大。与与渗渗碳碳类类似似，氮氮化化层层深深度度也也随随时时间间呈呈抛抛物物线关系增加。线关系增加。第第65页页66 合金元素影响和氮化强化机理合金元素影响和氮化强化机理氮化物形成元素和氮化物形成元素和Al对氮化影响最显著。对氮化影响最显著。合合金金元元素素普普通通都都降降低低氮氮化化层层深深度度，其其中中尤尤以以Ti、Al最为显著，最为显著，Cr次之。次之。钢钢中中碳碳也也会会降降低低氮氮化化层层深深度度，可可能能是是因因为为因因为为钢钢中中形形成成碳碳化化物物而而妨妨碍碍了了氮氮原原子子扩扩散散所致。所致。第第66页页67合金元素对氮化层硬度影响更为显著。合金元素对氮化层硬度影响更为显著。其其中中尤尤以以Al、Ti最最为为显显著著，Cr、Mo次次之之，Ni因因为为不形成氮化物，对硬度几乎没有什么影响。不形成氮化物，对硬度几乎没有什么影响。但但因因为为Ti在在钢钢中中将将首首先先形形成成极极稳稳定定碳碳化化物物，而而对对氮氮化化层层硬硬度度贡贡献献很小。很小。所所以以，工工业业用用氮氮化化钢钢大大 都都 含含 有有 Al、Cr、Mo，而不含，而不含Ti。第第67页页68Al、Cr、Mo等等合合金金之之所所以以能能显显著著提提升升钢钢氮氮化化层层硬硬度度，是是因因为为氮氮原原子子在在向向心心部部扩扩散散时时，在在氮氮化化层层中依次发生：中依次发生：氮和合金元素偏聚，形成所谓氮和合金元素偏聚，形成所谓G-P区；区；-Fe16N2型过渡氮化物析出等。型过渡氮化物析出等。这这些些共共格格偏偏聚聚区区和和过过渡渡氮氮化化物物析析出出，会会引引发发硬硬度度强烈增高。上述过程与淬火时效过程几乎一样。强烈增高。上述过程与淬火时效过程几乎一样。第第68页页69 氮化前热处理氮化前热处理氮氮化化零零件件心心部部性性能能，由由氮氮化化前前热热处处理理决决定定，所所以，氮化前热处理非常主要。以，氮化前热处理非常主要。时效强化时效强化M相变强化相变强化氮化后氮化后不需热处理不需热处理渗碳后渗碳后必须淬火必须淬火同时也改变同时也改变心部性能心部性能强化机理不一样强化机理不一样氮化氮化渗碳渗碳第第69页页70淬火温度：由钢淬火温度：由钢Ac3决定；决定；淬火介质：由钢淬透性决定；淬火介质：由钢淬透性决定；回回火火温温度度：由由心心部部硬硬度度要要求求和和对对氮氮化化层层硬硬度度影影响响决定。决定。调质处理调质处理淬火淬火回火回火氮化前热处理普通都是：调质处理氮化前热处理普通都是：调质处理普普通通情情况况下下，为为了了确确保保心心部部组组织织稳稳定定性性，防防止止氮氮化化时时心心部部性性能能发发生生改改变变，通通常常都都使使氮氮化化前前回回火火温温度比氮化温度高度比氮化温度高50左右。左右。第第70页页71氮化前回火温度对氮化后硬度梯度影响氮化前回火温度对氮化后硬度梯度影响（a）0.32C-3.0Cr-0.4Mo钢在钢在510氮化氮化60h；（b）2.10C-12.0Cr-0.7W钢在钢在510氮化氮化10h。普普通通地地，回回火火温温度度低低，不不但但心心部部硬硬度度高高，且且氮氮化化层层硬度也较高，因而有效渗层深度也会有所提升。硬度也较高，因而有效渗层深度也会有所提升。第第71页页72 气体氮化工艺气体氮化工艺氮化温度影响着氮化层深度和硬度；氮化温度影响着氮化层深度和硬度；氮化时间则主要影响层深。氮化时间则主要影响层深。正确制订氮化工艺，关键在于选择好三个参数：正确制订氮化工艺，关键在于选择好三个参数：氮化温度和时间选择氮化温度和时间选择氮化温度氮化温度氮化时间氮化时间气氛氮势气氛氮势第第72页页7360h第第73页页74第第74页页75氮氮化化前前零零件件回回火火温温度度，使使氮氮化化温温度度低低于于回回火火温温度度50左右；左右；氮氮化化层层深深要要求求，氮氮化化层层要要求求较较深深，氮氮化化温温度度应应高一些；高一些；金金相相组组织织要要求求，氮氮化化温温度度越越高高，越越轻轻易易出出现现白白层层(-Fe2N1-x+-Fe4N)和网状氮化物。和网状氮化物。氮氮化化温温度度选选择择：主主要要依依据据对对零零件件表表面面硬硬度度要要求求而而定，要求硬度高者，氮化温度应适当降低。定，要求硬度高者，氮化温度应适当降低。在以前提下，还要考虑：在以前提下，还要考虑：氮化时间选择：氮化时间选择：主要依据氮化层深而定。主要依据氮化层深而定。第第75页页76也也能能够够采采取取525+540两两段段氮氮化化法法，还还能能够够采采取取低温低温-高温高温-低温、或低温低温、或低温-高温高温-高温等工艺。高温等工艺。为为了了加加紧紧氮氮化化速速度度并并确确保保硬硬度度要要求求，当当前前已已经经发发展展了各种分阶段氮化方法。了各种分阶段氮化方法。比比如如：惯惯用用氮氮化化钢钢38CrMoAlA制制成成气气缸缸筒筒，要要求求渗渗层层深深0.50.8mm、硬度、硬度HRA80时，可采取以下工艺时，可采取以下工艺:第第一一阶阶段段：低低温温(5105、50h)高高氮氮势势，加加大大扩扩散散驱动力；驱动力；第第二二阶阶段段：高高温温(5505、50h)低低氮氮势势，加加紧紧扩扩散散和调整表面氮含量。和调整表面氮含量。第第76页页77对对于于不不锈锈钢钢等等高高合合金金钢钢氮氮化化，因因为为N原原子子在在这这类类钢钢中中扩扩散散比比较较困困难难，往往往往不不轻轻易易得得到到较较深深渗渗层层，所所以以，普普通通都都采采取取较较高高氮氮化化温温度度（550560），以提升氮化速度。以提升氮化速度。气氛氮势选择气氛氮势选择氮化气氛氮化气氛氮势控制方法氮势控制方法传传统统不不控控制制氮氮势势而而控控制制氨氨气分解率气分解率利利用用红红外外线线氮氮气气分分析析仪仪，对对排排放放气气体体中中NH3量量进进行行分析而控制气氛氮势分析而控制气氛氮势第第77页页78氮化零件检验和常见缺点氮化零件检验和常见缺点表表面面硬硬度度检检验验：氮氮化化层层普普通通较较薄薄，要要注注意意载载荷荷选选择择以以预预防防压压穿穿，通通常常选选取取HV10(kg)或或表表面面洛洛氏氏硬硬度度HRN15(Kg)。假假如如表表面面硬硬度度偏偏低低，可可能能是是表表面面氮氮浓浓度度不不足足或或渗渗前前处理回火温度过高所致。处理回火温度过高所致。表面硬度表面硬度渗层深度渗层深度心部硬度心部硬度金相组织金相组织变形量等变形量等对氮化零件技术要求包含对氮化零件技术要求包含表面硬度表面硬度第第78页页79渗层深度检验：依然以硬度法最为精准。渗层深度检验：依然以硬度法最为精准。有有效效渗渗层层深深度度：有有以以硬硬度度